一种氢氧燃料电池发动机低温吹扫方法与流程

本发明涉及燃料电池系统，尤其涉及一种氢氧燃料电池发动机低温吹扫方法。

背景技术：

1、氢气被认为是最清洁的能源，氢氧燃料电池发动机是以氢气为还原剂和以氧气或空气为氧化剂的氧化还原反应将化学能变成电能的一种装置，因其生成物中只有水，具有无污染、效率高的优点，被大力推展在汽车上使用。

2、燃料电池发动机的低温关机方法一直是燃料电池控制技术的热点研究内容之一，针对电堆的吹扫方法，目前各大厂商主要采用两种方法，一是采用惰性气体(如氮气等)来将阳极、阴极和电堆内部的水分吹干，这种方法的缺点比较明显，需要增加一套供氮的bop，成本较高，体积较大，尤其不适用于车载场景。二是采用较大的空气流量吹扫阴极的方法，这种方法容易产生电堆单体过电位的现象，以及对电堆单体吹扫的一致性较差，存在一部分单体含水量过低，另一部分单体含水量较大同时存在的现象。此外，因为供氢回路吹扫流量较小，吹扫不充分，会造成氢泵、排氢阀、比例阀等零部件结冰而无法启动。针对氢泵结冰的问题，目前各大厂商的主要应对之策是采用循环泵大力矩破冰的方法，这会加大氢泵内部泵轮损坏的风险，造成氢泵故障无法运行。针对排氢阀结冰的问题，目前主流做法是选取带加热功能的排氢阀，这会造成零部件成本增加和布置难度增大。而针对比例阀的结冰，目前则没有很好的方法予以解决。而解决这些零部件结冰问题的根源在于吹扫阶段要将回路内的水分吹扫干净。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决现有技术中氢氧燃料电池发动机低温关机吹扫方法无法有效的将质子交换膜的含水量控制在要求范围内和无法将供氢回路的内部残留水分吹扫干净的问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种氢氧燃料电池发动机低温吹扫方法，所述方法依次包括如下步骤：

3、步骤s101、吹扫条件辨识模块根据整车燃电控制模式、锂电池可持续充电功率和燃料电池电堆冷却液出口温度判断是否满足低温吹扫条件，如不满足低温吹扫条件，进入升温流程；如满足低温吹扫条件，逐步降载至怠速工况点，降载完成后进入电堆吹扫流程；

4、步骤s201、通过电堆吹扫模块控制产生两种不同流量和压力的气流，较大的流量和压力的气流快速将电堆阴极、阳极和流道内的水分排出，较小的流量和压力的气流将质子交换膜内部的水分排出，吹扫完成进入电堆放电流程；在吹扫的过程中，燃料电池温度控制模块控制满足最佳的吹扫温度；

5、步骤s301、通过电堆放电模块逐步停止空气的供给，并通过余氢放电策略快速消耗阴极残余的氧气，并将电堆的电势放低至安全电压后进入氢气回路吹扫流程；

6、步骤s401、氢气回路吹扫模块通过三段式吹扫的方法将阳极回路内残留的少量水分排出，防止氢泵、比例阀或排氢阀结冰，然后进入零部件复位流程；

7、步骤s501、零部件复位模块控制所有执行器复位，将阳极和阴极压力过高的气体排出，断开外接高压，燃料电池关机吹扫完成。

8、进一步的，所述吹扫条件辨识模块根据所获取整车燃电控制模式、锂电池可持续充电功率和燃料电池电堆冷却液出口温度判断是否满足低温吹扫条件的方法如下：

9、s1011、通过can报文获取以下信号：整车燃电控制模式、锂电池可持续充电功率；

10、s1012、通过硬线采样获取以下信号：电堆冷却液出口温度；

11、s1013、判断整车燃电控制模式是否为关机，是则转步骤s1014，否则转步骤s1011，

12、s1014、判断电堆冷却液出口温度是否大于等于64-69℃，是则转步骤s1018，否则转步骤s1015；

13、s1015、燃料电池发动机输出功率＝min(0.9*锂电池可持续充电功率，0.3*燃料电池额定功率),

14、s1016、节温器开度设置为0％,风扇使能无效,ptc使能有效,ptc出口温度设定70℃；

15、s1017、判断电堆冷却液出口温度是否大于等于64-69℃，是则转步骤s1018，否则转步骤s1015；

16、s1018、燃料电池降载至怠速功率点；

17、s1019、判断降载是否完成，是则进入电堆吹扫流程，否则转步骤s1018。

18、优选的，所述电堆吹扫模块包括参数初始化模块、设定吹扫条件模块、大流量吹扫阶段模块、小流量吹扫阶段模块和吹扫完成辨识模块。

19、进一步的，所述电堆吹扫流程的步骤如下：

20、s2011、参数初始化模块进行参数初始化设置；

21、s2012、设定吹扫条件模块对吹扫条件进行设置；

22、s2013、大流量吹扫阶段模块对大流量吹扫阶段的参数进行设定并进行大流量吹扫，大流量吹扫阶段的空气流量为4200slpm，压力为146kpa；

23、s2014、燃料电池温度控制模块控制电堆冷却液出口温度维持在64-69℃；

24、s2015、判段大流量吹扫时间是否持续不小于20秒，是则转步骤s2016，否则转步骤s2013；

25、s2016、小流量吹扫阶段模块对小流量吹扫阶段的参数进行设定并进行小流量吹扫，小流量吹扫阶段的空气流量为2100slpm，压力为123kpa；

26、s2017、燃料电池温度控制模块控制电堆冷却液出口温度维持在64-69℃；

27、s2018、吹扫完成辨识模块判断吹扫时长是否持续了大于600s，或者(cvm最低单体电压≤0.2v或cvm平均单体电压≤0.78v)且吹扫时长≥30s，满足上述任一条件，转步骤s2019，否则转步骤s2016；

28、s2019、吹扫结束，计时器清零；

29、s2020、进入电堆放电流程。

30、进一步的，所述燃料电池温度控制模块控制节温器、ptc和风扇的动作来实现将电堆冷却液出口温度控制在最佳温度的控制方法如下：

31、s11、水泵转速设定2000rpm，目标电堆冷却液出口温度设定a℃,a的取值大于64，小于69。

32、s12、判断电堆冷却液出口温度是否不小于69℃，是则转步骤s13，否则转步骤s16。

33、s13、节温器开度设定50％，风扇使能有效。

34、s14、判断吹扫是否结束，是则结束吹扫，否则转步骤s15。

35、s15、判断电堆冷却液出口温度是否不大于b℃，是则转步骤s16，否则转步骤s13，b的取值大于a，但小于69。

36、s16、节温器开度设定20％，风扇使能无效。

37、s17、判断吹扫是否结束，是则结束吹扫，否则转步骤s18。

38、s18、判断电堆冷却液出口温度是否不小于69℃，是则转步骤s13，否则转步骤s19。

39、s19、判断电堆冷却液出口温度是否不大于64℃，是则转步骤s20，否则转步骤s16。

40、s20、节温器开度设定0％，风扇使能无效，ptc使能无效，ptc出口温度设定0℃。

41、s21、判断吹扫是否结束，是则结束吹扫，否则转步骤s22。

42、s22、判断电堆冷却液出口温度是否不小于69℃，是则转步骤s13，否则转步骤s23。

43、s23、判断电堆冷却液出口温度是否不大于62℃，是则转步骤s24，否则转步骤s20。

44、s24、ptc使能有效，ptc出口温度设定70℃。

45、s25、判断电堆冷却液出口温度是否不小于b℃，是则转步骤s20，否则转步骤s26。

46、s26、判断吹扫是否结束，是则结束吹扫，否则转步骤s24。

47、进一步的，所述电堆放电流程的方法为：

48、s3011、空压机转速设定60000rpm，电堆输出电流设定20a；

49、s3012、空压机转速设定以10000rpm/s速率降速，电堆输出电流设定以5a/s速率降载，氢空压差10kpa，排氢阀常开；

50、s3013、延时1s；

51、s3014、空压机转速设定50000rpm，电堆输出电流设定根据余氢放电volt-crnt映射，氢空压差10kpa；

52、s3015、空压机转速设定以2000rpm/s速率降速，电堆输出电流设定根据余氢放电volt-crnt映射，氢空压差10kpa，排氢阀常开；

53、s3016、延时0.6s；

54、s3017、空压机转速设定38000rpm，组合阀关闭，电堆输出电流设定根据余氢放电volt-crnt映射，氢空压差10kpa；

55、s3018、空压机转速设定以2000rpm/s速率降速，电堆输出电流设定以5a/s速率降载，氢空压差10kpa，排氢阀常开；

56、s3019、判断空压机设定转速是否小于36000rpm，且空气入堆压力是否小于135kpa，是则转步骤s3020，否则转步骤s3018；

57、s3020、空压机使能无效，空压机转速设定0，背压阀关闭，设定氢空压差10kpa，电堆输出电流设定根据余氢放电volt-crnt映射；

58、s3021、判断空气流量是否不大于100slpm，是则转步骤s3022，否则转步骤s3020；

59、s3022、取消氢空压力跟随，设定氢气目标压力125kpa，关闭排氢阀，电堆输出电流设定根据余氢放电volt-crnt映射；

60、s3023、判断cvm最低电压是否小于0.6v，是则转步骤s3024，否则转步骤s3022；

61、s3024、节温器开度设为0％，设定氢气目标压力125kpa，电堆输出电流设定根据余氢放电volt-crnt映射；

62、s3025、判断cvm最低电压是否小于0.2v，是则转s3026，进入氢气回路吹扫流程，否则转步骤s3024；

63、s3026、进入氢气回路吹扫流程。

64、进一步的，所述三段式吹扫的方法的步骤如下：

65、s4011.预设条件：电堆输出电流设定0a，断开电堆与升降压转换器的连接接触器，防止形成电流回路；氢压控制使能有效；空压机转速设定30000rpm用于将氢气吹出尾排，防止氢浓度过高；水泵转速2000rpm，防止因氢氧反应造成电堆单体局部过热；

66、s4012.第一段氢气回路吹扫：控制氢气入堆压力维持125kpa；氢泵转速维持4000rpm；排氢阀开关频率设定为每5秒排1秒；

67、s4013.延时15s；

68、s4014.第二段氢气回路吹扫：控制氢气入堆压力维持125kpa；氢气循环泵转速维持3000rpm；水泵转速设定为2000rpm；排氢阀开关频率设定为每5秒排1秒；；

69、s4015.延时15s；

70、s4016.第三段氢气回路吹扫：控制氢气入堆压力维持140kpa；氢气循环泵转速维持2000rpm；水泵转速设定为2000rpm；排氢阀开关频率设定为每2秒排1秒；

71、s4017.延时30s，

72、s4018.进入零部件复位流程。

73、进一步的，所述零部件复位流程的方法为：

74、s5011.执行器复位：氢压控制使能无效；氢气入堆目标压力设定0kpa；氢泵控制模式＝停止；氢泵转速设定＝0rpm；水泵使能无效；水泵转速设定为0rpm；空压机使能有效；空压机转速设定0rpm；组合阀关闭；氢瓶关阀；节温器关闭；风扇关闭；温度控制使能无效；冷却液入堆温度设定0℃；

75、s5012.延时3秒；

76、s5013.空压机使能无效；

77、s5014.延时0.5秒；

78、s5015.将阳极和阴极压力过高的气体排出：因氢气回路三段式吹扫过程会造成阳极侧和阴极侧气体压力升高，需将这部分较高压力的气体排出，判断阴极气体入堆压力是否不小于105kpa，是则转步骤s5016，背压阀开启50°，将气体排出，否则转步骤s5018，关闭背压阀；

79、s5016.背压阀开度设定50°；

80、s5017.判断阴极气体是否小于105kpa，是则转步骤s5018，否则转步骤s5016；

81、s5018.背压阀开度设定为0°；

82、s5019.判断阳极气体入堆压力是否不小于120kpa，是则转步骤s5020，否则转步骤s5021；

83、s5020.开启排氢阀；

84、s5021.判断阳极入堆压力是否小于120kpa，是则转步骤s5022，否则转步骤s5019；

85、s5022.关闭排氢阀；

86、s5023.延时2秒；

87、s5024.断开升降压转换器与外接高压的连接接触器，至此燃料电池发动机关机完成。

88、与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于，

89、1.通过吹扫条件辨识模块判断当前是否满足低温吹扫条件，如不满足低温吹扫条件通过电堆自身产热迅速将吹扫温度提升到合适范围内；

90、2.电堆吹扫过程采用两阶段吹扫方式，第一阶段是通过较大的空气流量快速将阳极、阴极及电堆流道内的液态水排出，第二阶段是通过相对较小的空气流量将质子交换膜上残留的水分吹干，保证质子交换膜的含水量在要求范围内及各电堆单体间吹扫的一致性；

91、3.电堆吹扫过程中，通过节温器、ptc和电子风扇将电堆温度控制在66℃左右以维持最佳的吹扫排水效果；

92、4.通过余氢放电模块将阴极残留的氧气消耗掉，并快速将电堆的电势降低到安全电压；

93、5.通过氢气回路三段式吹扫，实现将供氢回路流道内的水分排出，防止因有液态水造成氢泵、比例阀和排氢阀在低温条件下结冰导致燃料电池下一次无法启动；

94、6.关机结束后保证阴极富氢并包裹在催化剂表面，可有效防止因堆内氧气较多造成的催化剂的氧化。